新型指纹传感器FPC1011C的性能及应用
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摘要：在指纹识别技术与指纹识别市场成熟之际，如何选择一款合适的指纹传感器成为 业内面临的一个新的问题。本文详细的介绍了FPC1011C 的性能与开发指南，相信必将对正 在徘徊、观望的指纹识别公司带来一定的帮助 关键词：FPC1011C 指纹 传感器 开发 一、引言 在经历了十几年缓慢的自然增长后，指纹识别技术即将迎来一个跳跃性发展 的黄金时期。纵观全球诸多指纹识别事件：出入关按指纹、开门按指纹、领社保 按指纹、上班考勤按指纹、幼儿园接送孩子按指纹、银行取款按指纹、超市购物 按指纹付款、洗衣服按指纹进行分工、打手机按指纹、上电脑按指纹等等新现象 层出不穷，指纹识别已经与人们的生活密切相关，指纹识别技术在全球范围内已 经彻底拉开了“指纹时代”的巨幕。指纹识别技术的巨大市场前景，将对国际、 国内指纹识别产业产生巨大的影响。虽然指纹识别市场已经成熟，但是指纹传感 器零件种类如此繁多，如何选择一款价钱合适、性能稳定的指纹传感器成为指纹 识别企业面临的一个新的问题。指纹识别企业大多数是新新企业，如何做好前期 的产品是企业是否能在业内立足、发展的关键。 目前所用的指纹传感器，基本上基于三种技术基础：光学技术、半导体硅技 术、射频技术。 1.1光学技术 借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术。将手指放在光学 镜片上，手指在内置光源照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件（CCD）上， 进而形成脊线（指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线）呈黑色、谷线（纹线之 间的凹陷部分）呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。 光学的指纹采集设备有明显的优点：它已经过较长时间的应用考验，一定程 度上适应温度的变异，较为廉价，可达到500DPI的较高分辨率等。缺点是：由 于要求足够长的光程，因此要求足够大的尺寸，而且过分干燥和过分油腻的手指 也将使光学指纹产品的效果变坏。 1.2硅技术（CMOS技术） 20世纪90年代后期，基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。硅传感器成 为电容的一个极板，手指则是另一极板，利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅 传感器之间的电容差，形成8bit的灰度图像。 硅技术优点是可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量，在1cm ×1.5cm的表面上获得200~300线的分辨率（较小的表面也导致成本的下降和能 被集成到更小的设备中）。缺点是易受干扰，可靠性相对差。 1.3射频技术 为克服光学技术设备和硅技术设备的不足，又出现了一种新型的射频信号指 纹采集设备。其原理是利用射频信号具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生 大小不同的回波（射频信号到达不同材质表面时，被吸收、穿透与反射的程度不 同），因此，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹脊与谷所在 的位置。 射频技术所使用的信号频率大于10KHz，能量被控制在对人体无损的程度（与 医学诊断的强度相同）。射频技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的 清洁程度要求较低。 FPC1011C 是瑞典FingerPrints 公司成功推出的一种电容式面装指纹传感 器。该传感器采用了多项专利，如独立的晶圆体信号放大、传感器表面的保护膜 等。内部具有A/D 转换，高速的SPI 接口，8PIN 的软排线可以方便的接入各种 系统。本文详细介绍了FPC1011C 的特性，给出了其在SPI 接口模式下的电路实 现方法。 图 1. FPC1011 功能框图 二、FPC1011的主要特点： FPC1011C具有高图像质量、高耐磨、高抗静电、低功耗等特点，是一种全新 的基于certus 传感器平台的领先级电容式指纹传感器。它采用独特的反射式测 量法，电脉冲信号由内部IC 产生后，经过ABS 导电框发出，当手指接触传感器 ABS导电框以后，谷和脊之因为离传感器电容基板的距离不同，感应形成不用的 电压值。经过内部的A/D转换，从而输出高质量的数字指纹图像。 其主要特点有： ●是采用硅晶圆与工业级陶瓷基板； ●具有363dpi的分辨率； ●传感器面积为10.64mm×14mm； ●传感器阵列为152×200点； ●耐磨高达100万次； ●抗静电可达15KV以上； ●内含8位模数转换器； ●高速SPI接口形式； ●可提供3.3V或2.5V的工作电压； ●3.3V工作电压下的功耗为50mW； ●适用温度-20°～+85°。 三、FPC1011C的器件功能 FPC1011C的传感器阵列由152 列200行的传感器单元组成。每一个晶圆体都 有独立的信号放大功能，可以将接受到的经手指反射的微弱信号进行放大，从而 可以保证获得高质量的指纹图像。 通信接口 FPC1011C指纹传感器通过SPI接口(串行外围接口) 来提供通信。当CPHA = "0" 和 CPOL = "0" 时SPI接口是从属接口。象素数据通过传感器输入FIFO（运 用读取指令来读入）。最大读取速度是4M象素/秒（=32MHz）。 寄存器概要 除了传感器序列里控制像素的转换寄存器外，FPC1011C还包含14个控制寄 存器。 1．STATUS(状态)-寄存器 2．DRIVC(驱动)-寄存器 3．ADCREF (AD转换)-寄存器 4．SENSEMODE (选择测试模式)-寄存器 5.FIFO_TH(FIFO阈值)-寄存器 6.XSHIFT-寄存器 7.YSHIFT-寄存器 8.XREADS(一行同时读取象素数)-寄存器 9.XSENSE(在感应时选择哪些像素有效)-寄存器 10.YSENSE(在感应时选择哪些像素有效)-寄存器 11.SPI_STATUS(SPI接口状态信息)-寄存器 寄存器设置 指令概要 指令 指令代码 描述 rd_sensor 11H 开启手指感应功能（数据放置在FIFO中） rd_spidata 20H 从FIFO读（仅在使用SPI接口时有效） rd_spistat 21H 从SPI接口读内部状态寄存器（仅在使用SPI 接口时有效） rd_regs 50H 读内部寄存器（所有寄存器在一次操作中读出，寄存器内 容放在FIFO中） wr_drivc 75H 读DRIVC寄存器，设置手指驱动振幅 wr_adcref 76H 写ADCREF寄存器，设置ADC灵敏度 wr_sensem 77H 写SENSEMODE寄存器，设置自测试模式 wr_fifo_th 7CH 写FIFP_TH寄存器，设置对应的数据有效信号（IRQ_DA）d 的FIFO wr_xsense 7FH 将数据转换为XSENSE寄存器 wr_ysense 81H 将数据转换为YSENSE寄存器 wr_xshift 82H 写入XSHIFT寄存器，在X轴方向设置转换数目 wr_yshift 83H 写入YSHIFT寄存器，在Y轴方向设置转换数目 wr_xreads 84H 写入XREADS 寄存器，在转换YSENSE 寄存器之前设置同一 行的读取数目 表4. FPC1011指令 指令细节 读传感器指令（rd_sensor） 模式 串行 并行 输入参数 1虚拟字节 1虚拟字节 数据延迟 (363±2)tCLK (363±2)tCLK 返回字节 0 *数据延迟指直至FIFO中的数据有效前，指令的延迟 该指令用来读取传感器全部或部分区域。 该指令仅用于开启传感序列，指令本身并不返回任何数据。传感器序列的第一组 数据在大约363个时钟周期后进入FIFO。此后每隔8个时钟周期，一个新字节就会 写入FIFO，直至由XSENSE, YSENSE, XSHIFT和YSHIFT寄存器定义的区域被读取。 当FIFO存储量达到或超过FIFO_TH寄存器设置的值，IRQ_DA信号经由将高电 平信号传给准备取回数据的微控制器。在串行模式下从FIFO中读取数据的详细描 述见“Read SPI Data Instruction”。 如果FIFO装载数据已满，我们将让传感器暂停工作直至数据从FIFO中读出 来防止溢出。在暂停期间所有分析模块均有效，ASIC 将在一个正常传感操作中 产生电流。 读取SPI数据指令（rd_spidata） 模式 串行 并行 输入参数 1虚拟字节 NA 数据延迟 0 NA 返回字节 n NA 在指令参数被提供后，数据将被返回。只要SPI_CS_N和SPI_DI保持低电平， 数据将持续返回。 指令输入后，SPI_DI 将作为输入保持低电平，以防下一个字节被误认为一 条新指令了。 如果设置SPI_CS_N为高电平，读出程序将停止，为了在之后继续执行读出， 我们需要使用rd_spidata指令。 读取SPI状态指令（rd_spistat） 模式 串行 并行 输入参数 1虚拟字节 NA 数据延迟 0 NA 返回字节 1 NA 当执行该指令时，SIP_STAT寄存器的内容将返回。 如果传感器读出指令正在执行，使用该指令不会中断读出指令。 读取寄存器指令（rd_regs） 模式 串行 并行 输入参数 1虚拟字节 1虚拟字节 数据延迟 0 2±2tCK 返回字节 13字节 13字节 该指令将把所有内部控制寄存器的值装入FIFO中。 该指令不返回数据。通过Read SPI Data Instruction（SPI模式下），数据 将被读取，Read SPI Data Instruction能直接在该寄存器数据读出指令之后执 行。 该指令将完全装满FIFO，执行完后。当FIFO 中数据有效时，IRQ_DA信号将 为高电平。FIFO中的数据读出可以在任何时刻中止。 返回命令 寄存器 1 STATUS 2 不使用 3 DRIVC 4 ADCREF 5 SENSEMODE 6 FIFO_TH 7 不使用 8 XSHIFT 9 YSHIFT 10 XREADS 11 不使用 12 不使用 13 不使用 14 00H 15 00H 16 00H 写入寄存器(wr_*) 四、硬件开发参考 FPC1011C 采用高速SPI 口，可以方便的与各种处理器进行通信。一般的开发周 期在一个星期左右。 4.1 开发注意事项 a) 给FPC的时钟信号SCK一定要与所用DSP 的相匹配。 b) 发命令的顺序一定要与DATA SHEET上的一致。 c) 收数据的寄存器一定要设置正确。 d) 要控制好延迟的时间 4.2 参考时序图 表5. 当应用rd_regs 时寄存器值返回顺序 4.3 部分参考代码 #include "sysfunc.h" #define TIMOD_RAW_TX 0x0001 #define READ_SENSOR 0x11 #define READ_SPI_DATA 0x20 #define READ_SPI_STATUS 0x21 #define WRITE_DRIVC 0x75 #define WRITE_ADC_REF 0x76 unsigned char i1,j1; unsigned char Img_SPI[30400]; { *pSPI_CTL &= (~SPE); *pSPI_BAUD = 0x32; *pSPI_STAT = TXCOL | RBSY | MODF | TXE; *pSPI_CTL = MSTR | TIMOD_RAW_TX | GM | WOM | SZ; asm("ssync;"); } void tart_SPI(void) { *pSPI_CTL |= SPE; asm("ssync;"); } void Disable_Spi(void) { *pSPI_CTL = (*pSPI_CTL & 0x3FFF); asm("ssync;"); } unsigned char SPI_SendByte(unsigned char data ) { unsigned short temp; *pSPI_TDBR = data; asm("ssync;"); temp = *pSPI_STAT; while (temp&0x0008) { temp = *pSPI_STAT; } while (!(temp & 0x20)) { temp = *pSPI_STAT; } data = *pSPI_RDBR; } unsigned char SPI_RecByte(void) { unsigned short SPI; unsigned char data; *pSPI_CTL |= EMISO; *pSPI_TDBR = 0x00; SPI = *pSPI_STAT; while ((SPI&0x0008)) { SPI = *pSPI_STAT; } while (!(SPI&0x20)) { SPI = *pSPI_STAT; } data = *pSPI_RDBR; return data; } void Init_FPC1011C(void) { SPI_SendByte(WRITE_DRIVC); SPI_SendByte(0xff); SPI_SendByte(WRITE_ADC_REF); SPI_SendByte(0x02); } unsigned Read_FPC1011C_Img() { unsigned char val; unsigned short j; unsigned short cnt=0; Start_SPI(); Init_FPC1011C(); SPI_SendByte(READ_SENSOR); SPI_SendByte(0x00); for(j=0;j<400;j++) { SPI_SendByte(READ_SPI_STATUS); SPI_SendByte(0x00); val = SPI_RecByte(); } SPI_SendByte(READ_SPI_DATA); SPI_SendByte(0x00); hhDelay(384);//384 for(i1=0;i1<200;i1++) { hhDelay(170); for(j1=0;j1<152;j1++) { hhDelay(170); Img_SPI[cnt++] = SPI_RecByte(); } } Disable_Spi(); } 5.小结 随着信息技术的发展，计算机安全技术和身份认证技术对于人们的工作与生活来 说越来越重要。生物特征识别技术为信息社会日益迫切的安全需求提供了一个较 好的解决方案。文中所提及的FPC1011C 凭借着她优越的性能和极高的安全可靠 性，已经被业内公认为银行金融业的指定零件。随着指纹识别技术进一步发展， 市场进一步的扩大，FPC1011C必将被越来越多的人认可、使用。 |
